JP2001208716A - 微小球含有センサー - Google Patents

微小球含有センサー

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JP2001208716A JP2000390466A JP2000390466A JP2001208716A JP 2001208716 A JP2001208716 A JP 2001208716A JP 2000390466 A JP2000390466 A JP 2000390466A JP 2000390466 A JP2000390466 A JP 2000390466A JP 2001208716 A JP2001208716 A JP 2001208716A
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
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    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3271—Amperometric enzyme electrodes for analytes in body fluids, e.g. glucose in blood
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 必要とされるサンプル量をより少量にするこ
とが可能なセンサーストリップを提供する。 【解決手段】 電極支持体と、該電極支持体上にある電
極セットと、微小球と、を含んでなるセンサーストリッ
プ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、微小球を含有する
電気化学センサーに関する。
【従来の技術】電気化学バイオセンサーは公知であり、
生物サンプル、特に血液に由来する様々なアナライト
（被検体）の濃度を測定するために使われている。電気
化学バイオセンサーは、米国特許第5,413,690号；第5,7
62,770号；および第5,798,031号、ならびに国際公開WO9
9/13101に記載されており、これらのいずれの開示も参
照により本明細書に組み入れられる。
【０００２】電気化学バイオセンサーは通常、センサー
ストリップおよびセンサー機器を含む。該センサースト
リップは、分析しようとするサンプルを保持する空間を
含み、該サンプル中に放出すべき試薬を含んでいてもよ
く、そして電極セットを含む。該電極セットは通常、絶
縁物質およびサンプルと接触する電極を含む。該電極
は、電極自身をセンサー機器に電気的に接続させる接触
パッドを有する。該電極内のサンプル分析が実際に行わ
れる領域、すなわちセンシング領域は、通常はサンプル
を上部から受け入れるか、または支持体と支持体上のカ
バーとによって画定される毛管路を通じて側部から受け
入れる。しばしば、試薬が該センシング領域上に存在し
て電気化学的分析を補助する。該試薬は接触するとサン
プル中に溶解する。
【０００３】in vitro診断装置のフローを制御して性能
を高めるために多数の方法が使用されてきた。Birchお
よびBurns（EP 0255291)は、アナライトの濃度を測定す
るために、電気化学セル上の薄い(約200ミクロン）反応
ゾーンを使用することについて記載した。多孔性かつ吸
水性（サンプルの保持または濾過のための）のマトリッ
クスに基づく多数の発明が記載されている（例えば、Vo
gelら、US 4477575；Burkhardtら、US 4810470；Daffer
nら、US 4994238;Kuoら、EP0895084;Kuhn,OchsおよびMo
rris US 5385846;Douglasら、US 5948695）。Hildenbra
ndら（US 5916156)は、非電導性多孔質マトリックスに
よって作用電極から隔てられている対向電極およびサン
プル毛管として、多孔性黒鉛ウェブを使用することにつ
いて開示した。HughesおよびChambers(WO 9913101)は、
サンプルを輸送しかつサンプル室を部分的に塞ぐことに
よって必要とされるサンプルの量を減じるための、メッ
シュ層の使用について開示した。McAleerら（US 570824
7,5951836)は、疎水性表面領域および親水性表面領域の
双方を有する充填材を使用してネットワークを形成さ
せ、ヘマトクリットおよび温度に対するバイオセンサー
の感度を低減することについて記載した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】センシング領域に接触
し、かつセンシング領域への通路（すなわち、毛管路）
を満たすために十分なサンプル量が、センサーストリッ
プを用いる分析に必要とされる。分析のために利用可能
なサンプル量はたいてい少量であり、サンプルが血液の
場合は特に、必要とされるサンプル量を最小限に抑える
ことが望ましい。従って、必要とされるサンプルの体積
を最小限にすることが望まれることになる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】1態様において、本発明
は、電極支持体と、該電極支持体上にある電極セットと
微小球とを含むセンサーストリップである。別の態様に
おいて、本発明は、電極支持体上に電極セットを形成
し、該電極セットに通じる流路を形成し、そして該流路
に微小球を収容することを含む、センサーストリップの
作製方法である。
【０００６】本明細書で使用される場合、語句「電極セ
ット」とは、少なくとも2つの電極のセット、例えば2〜
60個または3〜20個の電極のセットである。これらの電
極は、例えば、作用電極、対向電極および参照電極であ
る。本明細書中で使用される場合、用語「微小球」と
は、複数の粒子であるが、粒子が球状である必要はな
く、任意の形状を有しうる。さらに、用語「微小球」は
また、粒子の大きさを限定するものではなく、センサー
ストリップのセンシング領域上またはセンサーストリッ
プのセンシング領域に通じる流路内に複数の微小球を収
容するのに適していれば、任意の大きさをとりうる。
【０００７】本発明のその他の特徴および有利な点は、
以下に記載する詳細な説明から明らかとなるであろう。
しかし、詳細な説明および特定の実施例は本発明の実施
形態を示しているが、これは説明のために挙げたものに
すぎず、従って本発明の精神および範囲内における種々
の変更および改変が、この詳細な説明から当業者には明
らかとなることが理解されなければならない。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下の図は、本明細書の一部を成
し、本発明のある種の態様を詳しく説明するために明細
書中に含まれるものである。本発明は、これらの図の1
以上を、本明細書に記載した特定の実施形態の詳細な記
載と組合せて参照することによって、さらに理解しう
る。
【０００９】図２は、センサーストリップ12の１つの実
施形態の上面図であり、図１は分解組立図である。図１
に図示されているのは、電極支持体3、接触パッド9およ
び９、ならびにセンシング領域10である。これらはすべ
て電極11および11の一部である。電極はその一部が誘電
体５で覆われているが、センシング領域10は該誘電体に
ある穴22を通して露出しており、接触パッド９および9
も露出している。微小球30は、穴22によって画定される
空間内に存在する。試薬６はセンシング領域10上および
微小球30上にある。この実施形態においては、サンプル
（示していない）をセンサーストリップの上部から穴22
を通してロードすると、サンプルは微小球30上を通過す
る。
【００１０】図３は、センサーストリップ12の別の実施
形態の分解組立図を示す。該センサーストリップは、基
板１および該基板を電極支持体3に保持するための接着
フォイル２を含む。2つの電極11および11から作る電極
セット16は電極支持体３上にあり、誘電体5によって部
分的に覆われている。カバー8は、誘電体の一方の端部
に、接着テープ７によって取り付けられている。誘電体
内にある小さな間隙13および接着テープ内にある空間14
は、カバー、基板および電極と一緒になってポケットを
形成する。該ポケット内部には、微小球30が、アナライ
トを電気化学的に検出および定量するのを補助するため
に随意に使用される試薬６とともに存在する。このポケ
ットは試験する液体を電極のセンシング領域10上に引き
込む。あるいは、カバーはなくてもよく、サンプルを微
小球30上に直接添加してもよい。
【００１１】電極セットは、少なくとも第1および第2の
電極を含む。該電極は、その２つの電極間の電気的接触
を妨げる間隙によって分離されている。図３において、
各電極のセンシング領域は、インターディジタル構造の
フィンガー(finger)を含む。センシング領域は、実際に
電気化学的センシングが行なわれるところである。セン
シング領域において、単純なまっすぐの間隙のみによっ
て電極が分離されていてもよいし（図１で例示）、また
は、例えば直線構成の間隙を含んでいたり、２つの電極
が両手の指を組み合わせた形の領域を形成していたり
と、より複雑になっていてもよい。
【００１２】電極セットの長さは、好ましくは2.5〜250
mmであり、その幅は好ましくは0.4〜40mmである。接触
パッド間の間隙は、好ましくは1μm〜5mmであり、各接
触パッドの幅は好ましくは1〜20mmである。電極のパタ
ーンは、対称であるのが好ましいが、これは必要要件で
はなく、不規則または非対称なパターン（または電極の
形状）も可能である。
【００１３】微小球は、電極のセンシング領域上、およ
び/またはサンプルがセンシング領域に移動するときに
通過する流路内に存在する粒子である。微小球は球状で
ある必要はなく、むしろ任意の形状を有しうる。さらに
微小球は、センサーストリップのセンシング領域上、ま
たはセンサーストリップのセンシング領域に通じる流路
内に複数の微小球を収容するのに適していれば、任意の
大きさをとりうる。
【００１４】微小球は、センサーストリップがその分析
機能を果たすのを妨げない任意の材料でできている。好
ましくは、微小球は、サンプルおよび分析中に存在する
いかなる化学物質に対しても化学的に不活性であり、か
つセラミックまたはポリマーなどのように絶縁性（非電
導性）である1種以上の材料でできている。例として、
ガラスビーズ、ガラス粉末、ヒュームドシリカ、シリカ
ビーズ、シリカ粉末、ラテックス球、アルミナ粉末、ダ
イヤモンド粉末、ポリエチレンビーズ、鉱物繊維、酸化
チタン粉末、ポリマーでコートした金属粒子およびこれ
らの混合物が含まれる。微小球は互いが物理的に付着し
ていないものであり、従って織物、フリース、または2
次元もしくは3次元の網目組織もしくは蜂の巣状構造の
ものはいずれも含まれない。それどころか、一度サンプ
ルが添加されると各微小球は物理的に遊離する。
【００１５】微小球はマイクロ毛細管構造をもたらし、
該構造によりセンシング領域に通じる流路におけるより
一様な流れのプロファイルが維持されうる。さらに、微
小球は該流路の容量の一部を占有することにより、分析
に必要とされるサンプルの総量を減じる。別の利点は、
該センサーの熱量を微小球の存在により増加させうるた
め、測定時間を通して温度をより均一にできることであ
る。
【００１６】微小球は場合により試薬でコートされてい
てもよい。微小球の表面積が大きい場合は、サンプルが
微小球上を通過するときの、該試薬のサンプル中へのよ
り均等な分配が可能となるだろう。該試薬は、存在する
ならば、サンプル添加前に微小球を一定の位置に保持す
るのを補助しうるが、一度サンプルが接触すると該試薬
はサンプル中に溶解または分散してしまうので、微小球
は互いに物理的に付着しなくなる。同様に、場合により
フィルム形成剤で微小球をコートして、サンプル添加前
に微小球を一定の位置に保持するのを補助させうるが、
それは該フィルム形成剤がサンプルに一度接触すると溶
解または分散する場合である。その結果サンプル添加後
は、微小球は互いが物理的に付着しなくなる。該試薬は
存在するならば、たいてい該試薬をセンシング領域上に
維持するのを補助するためのフィルム形成ポリマーまた
は組成物を含む。本発明において、微小球はフィルム形
成ポリマーまたは組成物の量を減じることができ、その
結果として、拡散係数および水和/溶解速度の増加をも
たらす。
【００１７】場合により微小球に、それらをより疎水性
またはより親水性にするための表面処理を施してもよ
い。好ましくは該表面は親水性である。また、好ましく
は微小球表面の疎水性/親水性の性質は一様であり、よ
り好ましくは微小球表面は均質に親水性である。
【００１８】微小球の平均直径は、センサーストリップ
のセンシング領域上またはセンサーストリップのセンシ
ング領域に通じる流路中に、複数を収容するために十分
小さくなければならないが、その他の点では制限されな
い。微小球は、好ましくは最大0.5 mm、より好ましくは
1〜300μm、最も好ましくは10〜20μmの平均直径を有す
る。好適な材料として、Palo Alto, CAのDuke Scientif
ic社によって市販されている平均直径178μmのガラス球
が挙げられる。
【００１９】微小球の量は限定されないが、最大でもセ
ンシング領域に通じる経路内または流路内に収容できる
量が好ましい。流路容量とは、一方の端部がセンシング
領域によって画定され、もう一方の端部がその流路を密
封しうる最小表面積の覆いによって画定される、該経路
または流路の容量である。センサーストリップ内の微小
球の量は、好ましくは該流路容量の1〜99％、より好ま
しくは10〜99％であり、20％、30％、40％、50％、60
％、70％および80％を含む。
【００２０】微小球は、例えば水または有機溶媒などの
液体との混合物としてセンサーストリップに添加しう
る。液体に対する微小球の割合は限定されない。例え
ば、該組成物の総重量に基づき、11〜99重量％、または
15〜90重量％、またはさらに20〜80重量％の微小球を含
有する混合物を使用することが可能である。
【００２１】センサーストリップの残りの部分を形成す
る方法は限定されない。任意の従来の方法を使用しう
る。例えば、電極はフォイル（例えば、金箔）を電極支
持体上に封止することにより形成しうる。電極は、電極
支持体上にスクリーン印刷しうる。また、金属層をスパ
ッタリングしてその後リソグラフィーによりその中に電
極を形成させることもできる。あるいは電極は、ラミネ
ーションにより、または1999年10月4日出願の出願番号
第09/411,940号（題名”LASER DEFINED FEATURESFOR PA
TTERNED LAMINATES AND ELECTRODE”、参照により本明
細書に組み入れる）に記載のようなレーザーアブレーシ
ョンによって形成しうる。
【００２２】電極として、好ましくは金、白金、パラジ
ウム、イリジウム、またはこれらの金属の合金が挙げら
れる。なぜなら、このような貴金属およびその合金は、
生体系内で不活性だからである。電極は任意の厚さでよ
いが、好ましくは10 nm〜1mm、より好ましくは20 nm〜1
00μm、よりいっそう好ましくは25 nm〜１μmである。
【００２３】UV硬化性の誘電体であって、スクリーン印
刷可能なものを使用して、誘電体を形成しうる。このよ
うな誘電体には例えば、DuPontの誘電体組成物であるポ
リマー組成物5018がある。透明なカバーは、体液に対し
て不活性な透明な材料である。例えば、ガラス、ポリエ
チレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリイミ
ド、またはポリエステルである。この透明なカバーには
記号が付されていてもよい。また接着テープは、接着剤
で被覆された表面を有する軟性ポリマーである。これら
の材料もまた当業者に公知である。
【００２４】基板は場合によって存在する支持構造体で
あり、好ましくは、センサーストリップを支持するのに
十分な厚さの軟性ポリマー材料でできている。例えば、
厚さ6ミリのポリエステルである。接着フォイルは接着
テープと同じ種類の組成物で作製しうる。
【００２５】試薬は随意のものであり、特定のアナライ
トに対する電気化学的プローブを供給するために該試薬
を使用しうる。出発試薬は、該試薬の反応物または成分
であり、たいてい液体中で一緒に混ぜ合わせて、その
後、薄帯またはリールに塗布する。続いて該液体を蒸発
させ、試薬を固体で残す。具体的な試薬の選択は、測定
しようとする具体的なアナライトまたはアナライト群に
依存し、当業者には公知である。例えば、ヒト血液サン
プル中のグルコースを測定するための試薬は、62.2mgの
ポリエチレンオキシド（平均分子量100〜900キロダルト
ン）、3.3mgのNATROSOL 250M、41.5mgのAVICEL RC-591
F、89.4mgの一塩基性リン酸カリウム、157.9mgの二塩基
性リン酸カリウム、437.3mgのフェリシアン化カリウ
ム、46.0mgのコハク酸ナトリウム、148.0mgのトレハロ
ース、2.6mgのTRITON X-100界面活性剤、および試薬１
グラム当り2,000〜9,000単位の活性をもつ酵素を含有す
る。酵素は、12.5mgの補酵素PQQおよび121万（1.21 x 1
06）単位のキノタンパク質グルコースデヒドロゲナーゼ
のアポ酵素から酵素溶液として調製し、キノタンパク質
グルコースデヒドロゲナーゼ溶液を作製する。この試薬
については、国際公開WO99/30152の7〜10ページに記載
されており、この開示は本明細書に参照により組み入れ
られる。
【００２６】ヘマトクリットを定量するときは、試薬
は、可逆性電気活性化合物の酸化型および還元型（それ
ぞれ、ヘキサシアノ鉄(III)酸カリウム（「フェリシア
ン化物」）およびヘキサシアノ鉄(II)酸カリウム（「フ
ェロシアン化物」））、電解質（リン酸カリウムバッフ
ァー）、および微結晶性材料（FMC社から入手可能なAvi
cel RC-591F；88%の微結晶性セルロースと12%のカルボ
キシルメチル-セルロースナトリウムとのブレンド）を
含む。乾燥前の該試薬内成分の濃度は次の通りである：
400ミリモル（mM）フェリシアン化物、55mMフェロシア
ン化物、400mMリン酸カリウムおよび2.0%（重量：容
積）AVICEL。ヘマトクリットアッセイ用試薬のさらなる
記載は米国特許第5,385,846号にあり、該特許の開示は
本明細書に参照により組み入れられる。本発明のセル10
において特定のアナライトを測定するのに使用しうる酵
素および媒介物質（mediator)の他の非限定的な例を以
下の表１に掲げる。
【００２７】
【表１】
【００２８】表１に示したいくつかの例においては、１
種以上の追加の酵素を反応触媒として使用する。また、
表１に示したいくつかの例において、酸化型媒介物質へ
の電子移動を促進する追加の媒介物質を利用しうる。追
加の媒介物質は、酸化型媒介物質より少ない量で試薬に
供給しうる。上記のアッセイに関らず、本発明の開示に
よれば、セル10を用いて、種々の電気化学アッセイを実
施しうると考えられる。
【００２９】記載の工程および製品には、使い捨てのバ
イオセンサー、特に診断装置において使用するものが含
まれる。しかし、例えば任意の生物学的サンプル、環境
サンプル、食品サンプル、またはその他のサンプル内の
アナライトを測定するような、診断以外の用途のための
電気化学センサーも含まれる。さらに、典型的には複数
のセンサーストリップが、通常はストッパーによりバイ
アル中にパッケージされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図1は、本発明のセンサーストリップの１つの
実施形態の分解組立図である。
【図２】図２は、本発明のセンサーストリップの１つの
実施形態の上面図である。
【図３】図３は、本発明のセンサーストリップの別の実
施形態の分解組立図である。
【符号の説明】
１ 基板 ２ 接着フォイル ３ 電極支持体 ５ 誘電体 ６ 試薬 ７ 接着テープ ８ カバー ９ 接触パッド １０ センシング領域 １１ 電極 １２ センサーストリップ １３ 誘電体内の小さな間隙 １４ 接着テープ内の空間 １６ 電極セット ３０ 微小球
フロントページの続き (72)発明者 ブライアン エス．ヒル アメリカ合衆国 46268 インディアナポ リス州 インディアナポリス，サン フェ ルナンド ドライブ 4710，アパートメン ト シー

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】(a) 電極支持体と、 (b) 該電極支持体上にある電極セットと、 (c) 微小球と、を含んでなるセンサーストリップ。
  2. 【請求項２】 微小球が電極セット上にある、請求項１
    に記載のセンサーストリップ。
  3. 【請求項３】 電極セット上に(d)カバー、をさらに含
    んでなるセンサーストリップであって、カバー、電極セ
    ットおよび電極支持体が一緒になって流路を画定してお
    り、微小球が該流路の中に存在している、請求項１に記
    載のセンサーストリップ。
  4. 【請求項４】 微小球がセラミックおよびポリマーから
    なる群から選択される少なくとも１つのメンバーを含
    む、請求項２または３に記載のセンサーストリップ。
  5. 【請求項５】 微小球がガラス、シリカまたはラテック
    スを含む、請求項４に記載のセンサーストリップ。
  6. 【請求項６】 微小球上に(e)試薬、をさらに含んでな
    る請求項２に記載のセンサーストリップ。
  7. 【請求項７】 微小球上に(e)試薬、をさらに含んでな
    る請求項３に記載のセンサーストリップ。
  8. 【請求項８】 電極支持体上に(f)誘電体、をさらに含
    んでなる請求項３または７に記載のセンサーストリップ
    であって、誘電体、カバー、電極セットおよび電極支持
    体が一緒になって流路を画定している前記センサースト
    リップ。
  9. 【請求項９】 微小球が均質に親水性である、請求項２
    または３に記載のセンサーストリップ。
  10. 【請求項１０】 微小球が１〜300μmの平均直径を有す
    る、請求項６または７に記載のセンサーストリップ。
  11. 【請求項１１】 電極支持体と、該電極支持体上にある
    電極セットと該電極支持体上にある誘電体とを含んでな
    り、それらが一緒になって流路を画定しているセンサー
    ストリップであって、該流路内および/または該電極セ
    ット上に微小球を含むことを特徴とする前記センサース
    トリップ。
  12. 【請求項１２】 微小球がセラミックおよびポリマーか
    らなる群から選択される少なくとも1つのメンバーを含
    む、請求項１１に記載のセンサーストリップ。
  13. 【請求項１３】 微小球上に試薬をさらに含んでなる請
    求項１２に記載のセンサーストリップ。
  14. 【請求項１４】 センサーストリップを作製する方法で
    あって、 電極支持体上に電極セットを形成すること、 該電極セットに通じる流路を形成すること、および該流
    路内部に微小球を収容すること、を含む前記方法。
  15. 【請求項１５】 前記の流路の形成が、 電極支持体上に誘電体を形成すること、および電極セッ
    トをカバーで覆うこと、を含む請求項１４に記載の方
    法。
  16. 【請求項１６】 微小球を試薬で被覆することをさらに
    含む、請求項１４に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 微小球が均質に親水性である、請求項
    １４に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 微小球が1〜300μmの平均直径を有す
    る、請求項１４に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 微小球がセラミックまたはポリマーか
    らなる群から選択される少なくとも1つのメンバーを含
    む、請求項１４に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 微小球がガラス、シリカまたはラテッ
    クスを含む請求項１９に記載の方法。
  21. 【請求項２１】複数の請求項１〜１３のいずれか一項に
    記載のセンサーストリップ、 該複数のセンサーストリップを含有するバイアル、およ
    び該バイアルを密封するストッパー、を含んでなるパッ
    ケージされたセンサーストリップ。
JP2000390466A 1999-12-23 2000-12-22 微小球含有センサー Expired - Fee Related JP3947356B2 (ja)

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US09/471,571 US6627057B1 (en) 1999-12-23 1999-12-23 Microsphere containing sensor
US09/471571 1999-12-23

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